Шулардың, кедергілердің есебі және олардың төмендеуінің әдістері

Электрлік тізбектерде үнемі күлтілдейтін (флуктуирующий) сигналдар болады. Мұндай күлтілдейтін (флуктуирующий) сигналдарды шулар деп атайды. Шу сигналдар үшін электрондық құрылғылармен өңдеуге болатын төменгі шекті анықтайды. Өңделетін сигналдардың көздері, электронды құрылғылардың элементтері де шудың шығу көздері болып табылады. Шулардың негізгі екі топқа бөлуге болады – бұл физикалық табиғаттың шулары және жүйелік шулар. Шулар шулық сигнал қуатының спектральді тығыздығымен сипатталады.

Электронды құрылғыларда физикалық табиғаттың шулары негізінен келесідей түрде сұрыпталады:

а) Жылулық шу кез келген өткізгіштерде заряд тасушылардың кездейсоқ (броундық) қозғалысынан туады. Жылулық шудың спектральді тығыздығы электрондық құрылғыларда жиілікке тәуелді емес және мынаған тең:

S_T = 4kT, (4.1)

мұнда, k – Больцман тұрақтысы, T – абсолюттік температура.

б) Төменгі жиілікті шу (фликер-шу) жартылайөткізгіштерде және диэлектриктерде электрондық күйлердің зарядының өзгеруінен пайда болады. Өткізу қабілетіне үлес қоспайтын кристалдардағы электрондық күйлер кристалдық тордың ақауларымен байланысқан. Термодинамикалық үрдістер оқшауланған электрондық күйлермен байланысқан зарядтардың күлтілдеуіне (флуктуация) әкеледі. Төменгі жиілікті шу спектральді тығыздыққа ие, ол төменгі жиіліктерде тұрақты және кейбір өттпелі жиіліктерден жоғарырақ тез кемиді. Өтпелі аймақта спектральді тығыздық тең:

S_Н = A/f^α, (4.2)

мұнда, А – эмпирикалық коэффициент, f – жиілік, α – бірге жуық көрсеткіш. Төменгі жиілікті шу жартылайөткізгішті жабдықтарға сипатталған.

в) Бытыралы шу электрлік зарядтардың дискреттілігімен шақырылады. Жартылайөткізгішті жабдықтардағы генерациялы-қайта әсер ететін (рекомбинациялық) шу бытыралы шудың жеке жағдайы болып табылады. Бытыралы шудың спектральді тығыздығы оның шығу көзінің физикалық табиғатына тәуелді. Генерациялы-қайта әсер ететін (рекомбинациялық) шуды шулық токтың спектральді тығыздығымен сипаттау жеңіл.

(4.3)

мұнда, e – электрон заряды, І – жабдықтағы ток, f – жиілік, τ – қайта әсер етудің (рекомбинация) уақыт тұрақтысы немесе транзистордың немесе диодтың базасындағы секірмелі уақыт.

Жүйелік шулар ортақ тізбектер және құрылым элементтері арқылы микросұлбаның блоктарының өзара әрекеттестігімен шарттасқан. Басқарылмайтын өзара әрекеттестіктің негізгі жолдары:

• Корпус түйіндерінің (выводтарының) электромагниттік байланысы.

• Қорек көзінің тізбегі бойынша байланыс.

• Жайманың (подложканың) өткізу қабілеті бойынша байланыс.

Физикалық табиғаттың шулары микросұлба элементтерінің өзара орналасуына тәуелді емес және элементтердің параметрлерімен анықталады. Бұл шулар тегіс спектрге және салыстырмалы түрде жиіліктің үлкен жолағына ие. Жылулық шу физикалық шуларды құратын маңызды шу болып табылады. Баламалы электрлік сұлбада жылулық шуларды модельдеу айнымалы токтың шу көздерінің жартылайөткізгішті жабдықтардағы барлық резисторлар мен ішкі кедергілерге параллельді (қатар) қосылуымен жүзеге асады. Элементтердің индуктивтілігі және сыйымдылығы шу көздерінің қуатына әсер етпейді. МОП-транзисторлың баламалы сұлбасында ағып түсудің (сток) шығыс өткізгіштігін және бекітпе-бастау (затвор-исток) өткізгіштігінің нақты бөлігін модельдейтін екі резистор қолданылады. Бұл резисторлардың шулық токтары:

(4.4)

(4.5)

мұнда, – жұмыстық жиіліктер диапазоны, және - резисторлардың артық шулық температура. Бекітпе ұзындығы 2 мкм шамасында болатын МОП-транзисторлары үшін , және нөлге тең деп есептеледі. Яғни, Жылулық шулар КМОП-сұлбаларда баламалы резисторлармен ғана анықталады.Субмикронды транзисторларда жылулық шулардың қуаты кенеттен артады, ал артық шулық температура жұмыстық температурадан бірнеше рет асады. МОП-транзисторлардың шулық параметрлері есебінің әдістемесі жасалған. МОП-транзисторларда 0,25 мкм канал ұзындығы бар артық шулық температуралар жұмыстық температуралардан 2 есе артық екендігі теориялық тұрғыдан және тәжірибе жүзінде көрсетілген.

(4.6)

Артық шулық температура жабдықтардың жұмыстық жиілігіне тәуелді емес екендігін ескеру қажет.

Жылулық шумен күрес үшін сұлбатехникалық және құрылымдық құралдар қолданылады. Мысалы, сыни (критический) тізбектердің кедергілерінің азаюы, өңделетін сигнал жиіліктерінің жолағының азаюы, жұмыстық температураның жылу берудің (теплоотвод) жақсаруы есебіне төмендеуі.

Жүйелік шулар электрондық құрылғының жұмыстық жиіліктеріндегі жіңішке спектральді сызықтардың жинағымен сипатталады. Жүйелік шудың қуаты олардың жиілігіне сәйкес пропорционалды өседі. Заманауи микросұлбалардың жұмыстық жиіліктерінің өсуімен бірге жүйелік шулардың мәселесі де шиеленіседі. Жүйелік шулармен күрес екі бағыт бойынша жүргізіледі – бұл шу көздерінің қуатының төмендеуі, сонымен қатар жоғары жиілікті оқшаулаудың (изоляцияның) жақсаруы және шуларға сезімтал аналогтық блоктардың экрандалуы.

Жоғары жиілікті шу көздерінің қуатының төмендеуі бағыты бойынша келесі тәсілдер қолданылады: кристалдағы сияқты микросұлбалармен платада парафазды экрандалған байланыс сызықтары, логикалық элементтерді қолдану, синхросигналдардың орналасуының ағаш сияқты (древовидный) тізбектерін құру.

Бұл әдістемелерді толығырақ қарастырайық. Егер СФ-блоктар арасындағы барлық сигналдық байланыстарды парафазды экрандалған сызықтармен өткізсе, онда кристал ауданының айтарлықтай өсуі қажет. Динамикалық реконфигурацияланатын байланыс жүйесі балама таңдау (альтернатива) бола алады. СНК СФ-блоктардың жұмыс тәртібін жасайды және бір уақытта олардың арасындағы байланыс жүйелерін бағдарламалы конфигурациялайды. Бағдарламалық конфигурацияланатын байланыс жүйелері БЛИС-да (ПЛИС-те) жақсы өңделген.

Сандық блоктардың қорек көзінің (питание) кернеуінің төмендеуі кедергілерді азайтып қана қоймай, сонымен бірге транзисторлардың кемуін (утечка) және тұтынатын электрлік қуатты азайтады. Қорек көзі (питание) бақылауының арнайы СФ-блоктары жасалған. Мұндай блок сандық блоктардың вентильдеріне баламалы (эквивалентті) логикалық вентильдердегі сақиналық бақылау генераторынан тұрады. Қорек көзі (питание) блогының кіріс басқаратын коды тірегіш (опорный) синхросигнал мен сақиналық генератор жиіліктерінің арақатынасын береді. Бақылау блогы сақиналық генератордың және берілген кодқа сәйкес сандық блоктың қорек көзінің (питание) кернеуін орнатады. Генератор жиілігі талап етілген жиілікте жұмыс істеу үшін жеткілікті блоктың шапшаң қозғалысына кепілдік беруі қажет. Қорек көзінің (питание) кернеуі ең аз мөлшерде қажет болады. Тірегіш синхросигналдың жиілігін немесе қорек көзін (питание) бақылау блогының басқаратын кодын өзгерте отырып, сандық блоктың шапшаң қозғалысын басқаруға болады. Қорек көзінің динамикалық бақылауы транзистор параметрлерінің ғаламдық шашылуын (разброс), температураның және қорек көзінің сыртқы кернеуінің өзгеруін теңелтуге мүмкіндік береді.

Логикалық КМОП – тұтынатын тұрақты тогы бар элементтер бұрыннан белгілі, алайда қорек көзінің жоғарылаған қысымы олардың ортақ кемшілігі болып табылады. 2,5 В қорек көздері бар блоктар үшін токтар теңгерімі бар арнайы КМОП-логикалық элементтері жасалған (CBL – current balance logic), 4.1 сурет. CBL элементтері 1,5 В және одан төмен кернеу көзі кезінде жұмыс істей алады. 2,5 В кернеу көзі кезінде олар КМОП элементтерімен, жүктемедегі ток көзімен және шектеуші диодтармен салыстырғанда сол шапшаң қозғалыста екі есе аз энергия жұмсайды.

Синхросигналдың орналасуының ағашқа ұқсас тізбектері синхрондау тізбектеріндегі кідірістерді түзеу үшін құрылған. Синхрондау тізбегінде және одан кейінгі сұлбаның құрылымдық фрагменттерінде жиынтық кідірістерді түзеу кезінде ең жақсы нәтижеге қол жеткізуге болады. Қорек көзі тізбектерінде пиктік токтардың екі еседен көп азаюы және кедергілердің үйлесімді азаюы орналасқан синхрондау жүйесінен екінші тиімді нәтиже болып табылады. Жүйелік шулардың төмендеуі бойынша негізгі талпыныстар (усилие) аналогтық блоктардың жоғары жиілікті оқшаулануының (изоляция) жақсаруына бағытталған. Микросұлбалардың блоктарының жоғары жиілікті оқшаулануы үшін келесідей құрылымдық әдістер қолданылады:

• шағын корпустарды пайдалану;

• сигналдық және корпус түйіндерінінің алмасуы;

• кристалдағы қорек көзінің екінші шығукөзінің орналасқан жүйесі;

• қорек көзі тізбектеріндегі блокадалық (блокировочный) конденсаторлардың орналасқан жүйесі;

• кристалдағы аналогтық блоктардың және сигналдық тізбектердің экрандалуы;

• қосымша жекелегіш аймақтарды (қалталардың) енгізу жолы бойынша жаймасы (подложка) бар байланыстың кемуі;

• төменгіомды жайманы (подложканы) пайдалану барысында жаймалық (подложечный) шулардың экрандалуы;

• корпустың негіздемесі арқылы жайманың (подложканың) жерге тұйықталуы.

Төртбұрышты шағын корпустар жалпыға ортақ таралуға ие болды. Корпус түйіндерінің аралыға кеміген сайын түйіндердің индуктивтілігі үш есеге жуық кемиді. Заманауи корпустар түйіндерімен периметрі бойынша 0,5 мм аралығы болады және 3÷ 8 Гн түйіндердің индуктивтілігімен сипатталады. Микросұлбалар құрылымының одан әрі дамуы BGA (bolls grid array) типіндегі корпустарды құруға әкелді. BGA-дің түйінсіз корпустарында байланысулар (контакты) корпустың негіздемелеріне сәйкес біркелкі төртбұрышты қалыптама түрінде орналасқан. BGA корпусының құрылымы шектік мәнде 1 Гн-ден төмен сигналдық тізбектің индуктивтілігін қамтамасыз ете алады. BGA корпустарында радиожиіліктік микросұлбалар жасалған, олар 5 ГГц диапазонында жұмыс істейді.

Аналогтық сигналдық кірістер және шығыстар қорек көздері түйіндерімен қоршалулары қажет. Корпустың көрші түйіндерінің жоғары жиілікті оқшаулануы (изоляция) элементтердің есебімен бар болғаны 20-дан 40дБ дейін. Аналогтық тізбектер үшін бұл жеткіліксіз. TQFP48 корпусының қарама-қарсы жақтарындағы түйіндердің оқшаулануы (изоляция) 1ГГц спектральді құрышылар үшін 96 дБ-ді, 2 ГГц спектральді құрушылар үшін 80дБ және 4 ГГЦ спектральді құрышылар үшін 60дБ құрады. Мұндай құрушылар сандық сигналдар спектрінде кездесулері мүмкін. Жоғары жиілікті аналогтық тізбектер үшін корпус түйіні арқылы электроманиттік байланыстың талдауы қажет. Корпустың жоғары жиілікті оқшаулануының (изоляция) параметрлерін электромагнитті симуляторды қолдана отырып өлшеуге немесе есептеуге болады.

Кедергілерден қорек көзінің тізбегі бойынша құтылу өте қиын. Шапшаң қозғалыстың және интеграция деңгейінің өсуімен қорек көзі тізбектеріндегі пиктік токтар өседі. Егер тіпті қорек көзі тізбектері ажыратылған болса, онда олардың арасында электромагнитті байланыс болады. Көптеген қосымша қорек көздерін пайдалану кедергілер мәселесінің бір шешімі болып табылады. Шындығында, әрбір аналогтық блок өзінің жеке кристалдағы қосымша қорек көздеріне ие бола алады. Бұл көздер жоғары жиілікті кедергілердің қосымша оқшаулануын (изоляциясын) қамтамасыз етеді.

Аналогтық блоктар құрылымында қорек көзі тізбектерінде кедергілердің деңгейін түсіретін блокодалы конденсаторлар қарастырылған. Бірақ, олардың орналасулары үшін қосымша аумақ қажет. Топологияның жобалануының жүйелері блоктың барлық бос аудандарында өлшемдерінің үлкеюінсіз блокодалы МОП-транзисторларды автоматты түрде қалыптастыруға мүмкіндік береді.

Топологияны жобалау кезінде сигналдық байланыстардың өтуі үшін металдаудың барлық деңгейлері қолданылмайды. Сигналдық байланыстардың деңгейі экрандаудың және қорек көзі жүйесінің деңгейлерімен кезектеседі. Металдаудың жоғары деңгейі үнемі қорек көзі жүйесі үшін және экрандау үшін қолданылады.

Жалпы жартылайөткізгішті жаймалармен (подложкалармен) берілетін жоғары жиілікті кедергілермен күресу өте қиын.

Астарларда таралатын бөгеттердің көлеміне бөгет көзінің Z1 жоғары жиілікті изоляциялау импедансы, Z2 астарындағы кедергінің жайлуы, Z3 астардың жерлену кедергісі, астардың жерлену сипаты мен жерлендіру тізбегінің индуктивтілігі әсер етеді.

Астарда скин-эффектісі аз дәрежеде болады, және барлық есептер, 4.2а. суретте көрсетілгендей, сұлбатехникалық үлгілер үшін жүргізіледі.

Блоктың бөгеттерге сезгіштігі жоғары жерлендіру тізбегі астардың жерлендіру тізбегімен сәйкес болуы керек. Кері жағдайда, жерлендіру тізбегінің импедансы мен астардың кедергісі қосылып, сезімтал блоктың бөгеттері артып кетеді, 4.2.б-сурет.

4.2 -суретте көрсетілген үлгіге сәйкес, бөгеттердің азаюы Z1-жоғары жиіліктің изоляциясын жетілдіру мен Z3- жерлендіру кедергісінің кемуімен алынады. Z2 -таралған кедергі Z3-ке пропорционал, және бұл кедергілерді басқару өте қиынға соғады.

Бөгеттерді кемітудің кең тараған әдісі - сезгіш элементтің айналасына қоспалы жерленген қорғаушы сақинаны орналасыту әдісі саналады. Бұл әдіспен бөгеттерді 2ч4дБ шамасына азаюын туғызады. Жоғары омдық эпитаксиалды қабатты төмен омды астарға қолдану жоғары жиілікті ихоляция үрдісін 8ч10дБ шамасына арттырады. Бөгеттерді кемітуде таңдаулы шешіміне екі түрлі типінде де орындалатын МОП-транзисторларының астарларын изоляциялауды жатқызады. Әдетте КМОП- құрылымдарында n – каналды транзисторларды қоспалы p – аймағында қалыптастырады, ал гальваникалық байланыстар үшін p – астарымен орындалады.

n – каналды транзисторлардың астарын изоляциялау микросұлбаның құрылымына қосымша аз қосалы n –типті аймақтарын кірістіруді қажет етеді. Осы жағдайдан кейін тиристорлі әсерді қатты күшейтетін, төрт қабатты тігінен қалыптасқан n-p-n-p құрылымын туғызады. Бұл тиристорлы әсерді жою арнайы технологиялар мен құрылымдық шешімдерді қажет етеді. Дегенмен, транзистордың толық изоляциялануы астардағы бөгеттердің деңгейін 25ч30дБ шамасына төмендетеді.

Қарапайым КМОП - құрылымында тек МОП-транзисторларының p - каналының изоляцияланумен, жоғары омдық p – типті астарда 1Ггц жиіліктегі гармоникалық құраушылары 120дБ -ге азаяды, ал 2ГГц жиілікте - 100дБ-ге, 4ГГц жиілікте - 80дБ-ге дейін төмендейді. МОП-транзисторының толық изоляцияланған құрылымдарын қолдану бөгеттің кемуі 150дБ-ден 1ГГц-ке, 130дБ-ден 2ГГц-ке және 110дБ-ден 4ГГц-ке артттыруға мүмкіндік береді. Бұл нәтижелер КМОП-технологиясының 0,25мкм жобалау нормасында дайындалған арнайы тесттік құрылымдарды үлгілеу мен өлшеуден алынған. Модельдеу Cadence фирмасының Substrate Storm симуляторын қолдану арқылы орындалған.